Exploración de Espacios de Diseño 🧭

La exploración de espacios de diseño y modelado de desempeño son vitales para el desarrollo de sistemas computacionales modernos. Este tipo de estudios son necesarios para evaluar la viabilidad del desarrollo de proyectos de diseño de micro-arquitecturas.

En este proyecto se realizarán pruebas de rendimiento a dos benchmarks utilizando GEM5, una plataforma modular para la investigación de arquitectura de sistemas computacionales y de los sistemas de micro-arquitectura de procesadores.

Estructura de Hardware 🎛️

Las pruebas se realizarán en distintos modelos de 24 micro-arquitecturas base, con el fin de evaluar el rendimiento de cada una ante las misma carga de trabajo.

Se escogieron dos ISAs para realizar esta prueba. Cada set de instrucciones será la base para 12 micro-arquitecturas distintas.

  ISA
   ├── RISC-V
   └── ARM

Para cada ISA se probarán dos tipos de procesadores de los que provee GEM5. Cada procesador será modificado para construir 6 micro-arquitecturas con distintas configuraciones.

  PROCESADOR
   ├── TimingSimple
   └── TraceCPU

Para realizar los cambios se deben seleccionar 2 parámetros del procesador y cambiar su valor 5 veces. Además, se deben evaluar los tipos de branch-predictor.

  BRANCH PREDICTOR UNIT
   ├── 2bit_local
   ├── Bi_mode
   └── Tournament

Para cada branch-predictor se varían sus parámetros:

  BRANCH PREDICTOR PARAMETERS
   ├── BTBEntries
   ├── localPredictorSize
   ├── globalPredictorSize
   └── choicePredictorSize

Benchmarks 🧪

Los modelos de hardware serán probados con dos benchmarks: uno del tipo SPEC y otro del tipo PARSEC.

Tabla 1. Benchmarks escogidos por cada tipo

Tipo	Benchmark	Descripción
SPEC2006	401.bzip	Algoritmo de compresión de archivos en memoria
PARSEC	canneal	Algoritmo de recocido simulado consiente de la caché para optimizar los costos de enrutamiento en el diseño de chips

Estos benchmarks se seleccionaron por su alto uso de memoria, lo que nos permite variar parámetros de las memorias caché, como su tamaño, grado de asociatividad, cantidad de sets, entre otros y evaluar su rendimiento (misses y hits).

Visualización de Estadísticas 📊

¿Cómo se visualizan los resultados de las pruebas? Creamos una herramienta que permite la visualización de los resultados obtenidos mediante gráficos. El sistema permite observar las cinco variaciones por parámetro para cada una de las combinaciones.

()[]

Tabla 2. Combinaciones posibles para las micro-arquitecturas seleccionadas

#	Benchmark	ISA	Procesador	BPU	cache-assoc	cache-size
1	401.bzip	ARM	TimingSimple	2bit_local	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
2	401.bzip	ARM	TimingSimple	Bi_mode	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
3	401.bzip	ARM	TimingSimple	Tournament	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
4	401.bzip	ARM	TraceCPU	2bit_local	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
5	401.bzip	ARM	TraceCPU	Bi_mode	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
6	401.bzip	ARM	TraceCPU	Tournament	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
7	401.bzip	RISCV	TimingSimple	2bit_local	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
8	401.bzip	RISCV	TimingSimple	Bi_mode	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
9	401.bzip	RISCV	TimingSimple	Tournament	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
10	401.bzip	RISCV	TraceCPU	2bit_local	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
11	401.bzip	RISCV	TraceCPU	Bi_mode	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
12	401.bzip	RISCV	TraceCPU	Tournament	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
--	---------	-----	----------	----------	---------------	---------------
13	canneal	ARM	TimingSimple	2bit_local	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
14	canneal	ARM	TimingSimple	Bi_mode	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
15	canneal	ARM	TimingSimple	Tournament	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
16	canneal	ARM	TraceCPU	2bit_local	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
17	canneal	ARM	TraceCPU	Bi_mode	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
18	canneal	ARM	TraceCPU	Tournament	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
19	canneal	RISCV	TimingSimple	2bit_local	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
20	canneal	RISCV	TimingSimple	Bi_mode	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
21	canneal	RISCV	TimingSimple	Tournament	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
22	canneal	RISCV	TraceCPU	2bit_local	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
23	canneal	RISCV	TraceCPU	Bi_mode	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k
24	canneal	RISCV	TraceCPU	Tournament	DM,2w,4w,8w,16w	1k,2k,4k,8k,16k

Autores ✏️

• Esteban Alvarado - Software Developer - @estalvgs1999
• Gabriel Abarca - Software Developer - @Abstractize
• Olman Castro - Software Developer - @oldboy379

Este proyecto fue desarrollado para el curso CE4301 - Arquitectura de Computadores I del Instituto Tecnológico de Costa Rica. 2021 🄯

Agradecimiento al profesor del curso:

• Prof. Luis Alberto Chavarría Zamora

---